探究虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用

李浩源 大慶師范學院 李鵬飛 東北石油大學 賈納爾 烏魯木齊職業大學

探究虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用

李浩源 大慶師范學院 李鵬飛 東北石油大學 賈納爾 烏魯木齊職業大學

隨著虛擬現實技術的飛速發展和普遍應用，利用虛擬現實技術進行實驗教學已成為一種趨勢。本文從分析虛擬現實技術的理論基礎出發，闡述了虛擬現實技術的分類，論述了它在實驗教學中的重要意義，并對虛擬現實技術在實驗教學中的應用進行了探索。

虛擬現實技術 實驗教學 應用

目前隨著高等教育的發展和招生人數的擴大，高校的專業實驗教學面臨著巨大的壓力和挑戰。由于經費有限，實驗室的硬件跟不上，儀器設備陳舊老化且數量不足，影響了正常實驗教學的開展，進而影響了實驗教學質量。隨著多媒體技術和網絡技術的發展，網絡教學逐漸成為正常教學的補充。通過網絡建立虛擬現實教學系統和網上虛擬實驗室而開展虛擬實驗，運用計算機在網絡中模擬一些實驗現象，達到“身臨其境”的效果，具有十分重要的意義。

1 虛擬現實實驗技術的理論基礎

虛擬現實實驗技術起源于20世紀末，是依托“虛擬現實”(Virtual Reality，英文縮寫VR)技術而產生和發展的一種實驗模式。當時國內外一些遠程教育機構曾采用過各種方法來解決實驗的近距離性與教學手段的遠距離性的矛盾。在進行的各種方法中，有的僅適合少數或簡單實驗的情況，有的由于與理論教學不相銜接而導致效果不佳。直到20世紀90年代崛起的虛擬實驗才給遠程實驗教學帶來了希望。它使實驗教學完全遠程化，從根本上解決目前的實驗教學與遠程教育模式不相適應的狀況。虛擬實驗技術是利用軟件和硬件的結合，取代傳統的常規實驗儀器設備，讓操作者可以在計算機或計算機網絡上進行模擬、仿真各種實驗的技術。

2 虛擬實驗技術的分類

2.1 沉浸虛擬現實技術

沉浸虛擬現實運用計算機、多媒體與仿真技術等現代科學技術，營造與客觀世界高度類似的虛擬環境，使人具有一種身臨其境的感覺。虛擬現實模式在現實世界數據建模的基礎上，采用三維圖形來表現虛擬世界。通過頭盔式顯示器或立體眼鏡等專用輔助設備觀察建模的三維物體，以獲得在平面顯示器上無法得到的物體“深度”距離信息，并通過觀察不同的圖像，產生觀察視覺差。通過深度和觀察視覺差，達到身臨其境的效果。

2.2 基于靜態圖像的虛擬技術

基于靜態圖像的虛擬技術是將多個不同距離和不同方位的靜態圖像按照相互關系有機地連接起來，在視覺上形成整個空間的整體認識。在觀察時，可以任意轉動，也可以改變視點。由于這些靜態圖像是相互連接的，所以，只要靜態圖像足夠精細，連接得緊密正確，就可以獲得空間的感覺，實現對一個物體或空間進行全景觀察。運用基于靜態圖像技術，可以根據真實世界影像采用計算機生成圖像的方式來建立三維模型。對圖像的分辨率、質量、復雜度、真實性的要求都不是很高，不需要特殊的專用設備，在普通微機上即可體驗虛擬實驗環境，操縱虛擬的物體。

2.3 實驗環境與虛擬實驗平臺集成技術

實驗環境和虛擬實驗平臺集成模式是一種真實與虛擬結合的模式，運用計算機技術、控制技術、數據庫技術與網絡技術等，架構支持真實實驗環境的虛擬實驗平臺。虛擬實驗平臺提供操作、控制、分析、設置和選擇的虛擬環境，并對真實的實驗環境實施控制。例如，電路試驗可以在虛擬環境中構建各種電路線路，并用虛擬的儀表如電流表、電壓表、示波器等來測量各個結點上的信號，或動態地測試電路的性能。

2.4 基于網絡的虛擬技術

基于網絡的虛擬實驗模式依托網絡來構建虛擬實驗環境，即分布式虛擬現實環境。在分布式虛擬現實環境中，多個實驗者可通過網絡同時參加一個虛擬空間，對同一虛擬實驗進行觀察和操作，以達到協同工作的目的。其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗的對象，可以通過利用鼠標的點擊、拖曳等操作，從不同的視角觀察一個實驗對象。多媒體計算機技術、網絡技術與虛擬儀器技術的結合，使遠程實驗者可以操作虛擬儀器，完成有關課程的虛擬仿真實驗，例如在計算機組成原理的實驗中，可以將計算機中的各個部件用三維方式表示出來，操作者通過鼠標將他們組裝成整機。將基于網絡的虛擬實驗環境引入實驗教學，能夠使實驗教學遠程化，提高課堂的教學效果。

3 虛擬實驗技術在實驗教學中的重要意義

3.1 改變了傳統的實驗教學概念

虛擬現實實驗技術的應用，要求教師必須改變傳統的實驗教學觀念，實現實驗教師由演示者向指導者、創新者的身份轉換；要求學生由模仿者向探求和創造者身份轉換。達到由培養經驗型人才向培養創造型人才的轉變；要求教師善于運用實驗教學的策略，鼓勵學生將自主設計、自主探索與協作實驗研究相結合。

3.2 引進最新的科學技術

計算機“虛擬現實實驗技術”是一種先進的學習工具，是多學科技術發展的綜合，代表著當前學科技術的發展水平。隨著水平的不斷提高，虛擬現實實驗技術將不再是單純的虛擬環境。很多軟件都能和互聯網連接，和實際的實驗設備連接，實現“遠程實驗”，實現軟件對實驗的控制和對實驗數據的處理和分析。要使用計算機來進行實驗并對實驗數據進行處理，學生只有掌握這種先進的學習技能，才能更好地學習和工作。

3.3 節省實驗經費，豐富了實驗資源，保證試驗安全

利用虛擬現實系統，可以彌補因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的不足對實驗教學的教學影響，豐富實驗教學資源，使學生可以做一些危險或危害人體的實驗。例如。虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所產生的燃燒、爆炸所帶來的危險；虛擬的外科手術，可避免由于操作失誤，而造成病人死亡的醫療事故；虛擬的飛機駕駛教學系統，可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。虛擬實驗環境可以獲得與真實實驗一樣的體會，豐富了學生感性認識，加深對教學內容的理解。

3.4 實驗教學手段多樣化

虛擬實驗的出現，為實驗教學改革提供了條件。教師可以采取靈活的課堂教學方法，實行個性化教學。通過網絡虛擬實驗教學，學生可以靈活控制學習時間，不受學校實驗室關閉和開放的影響，不受書本的約束，自主地選擇自己所需的實驗內容。同時，實驗考核也可多樣化，通過網絡考核與實際考核相結合，更能真實客觀地評價學生的能力。利用虛擬實驗遠程系統，將實驗設備、教學內容(包括理論教學)、教師輔導和學習者的思考、實驗操作等融為一體，克服了實驗教學長期受到課堂、課時限制的因素。教師可以上網組織各種實時或非實時的分布式教學，并在課后回答學生問題，批改實驗報告。學生可通過上網接受教師指導，完成各項實驗內容，提交實驗報告。

3.5 實驗內容可緊跟科學發展步伐

傳統實驗教學實驗項目多為驗證性實驗，總是滯后于學科發展。虛擬現實實驗技術的發展，給實驗教學改革注入了新的活力。使其不但可以有效營造一個跟技術發展同步的實驗環境，還可以具有適當的超前性。實驗環境虛擬化，實驗過程可以突破物理上時間和空間的限制。以前因時空限制而無法實現的實驗項目，現在就可以通過虛擬技術進行模擬實驗。

3.6 更利于培養學習興趣與能力

由于虛擬實驗利用多媒體技術來模擬真實實驗環境，使得整個實驗過程具有游戲的特點，將群體式學習、協作式學習、競賽式學習的模式靈活應用，可以激發學生濃厚的學習興趣。其次，在虛擬實驗中。學生可以很方便地通過改變實驗參數分析不同的實驗結果。這有利于培養學生的科學意識和創新精神。

目前虛擬現實實驗技術還處在發展、起步階段，但在實驗教學過程中已經發揮了巨大的作用。它不僅彌補實驗設備缺乏和條件的限制，而且極大提高了學生對知識的需求和探索的積極性，提高了實驗教學效果。同時，通過虛擬現實實驗技術把抽象的、難以直接用一般自然手段表現的形象直觀地表現出來，有助于加快認識客觀世界的規律，提高高校實驗教學的先進性。